測定とは何かについての情報を引き出す行為です。スケールで物の重さを量ることは測定です。何かに触れて力を感じることは測定です。
これは見た目より深い概念です。根本的に、世界について私たちが知っているすべての情報は何らかの方法で測定されました。私たちは測定できるものしか知りません。測定することは知ることです。
私たちは常に測定している
「物体」「粒子」「もの」のようにわれわれが持つすべての概念は、測定で見つけたパターンに与えた言葉に過ぎません。実際、見ることは測定です:私たちは眼球に入ってくる光子を測定しているのです!
通常、ボールのような物理的物体では、常に測定しています。触れている、または光子が触れて私たちの目に当たっています。測定していないとき、通常別の何かが測定しています。空気分子が当たり、反応しています。
何も測定していないとき
しかし、電子のように、絶え間ない測定を回避できるほど小さなものがいくつかあります。そこで、1900年代初頭の科学者は奇妙な質問を始めました:電子のような小さな物体は、測定されていないときに(位置のような)明確な性質を持つのか?
答えは驚くべきことにノーでした。したがって、物理学者は何も測定していないときの物体の性質を記述する方法として量子力学を発明しました。測定と測定の間、電子は単一の明確な位置を持ちません。可能性の混合として存在します。測定する行為が、物体を1つの明確な答えにコミットさせます。
簡単な例:電子スピン
この概念を説明するため、非常に単純で制御可能な量子系である電子スピンでお見せします。もちろん、世界には多くの量子的性質があります:電子の位置、電子の速度、光の波長。しかし、これらはすべて非常に複雑で、迷子になりやすいです。それぞれに無限の異なる可能な測定結果があるからです!例えば、電子の位置を測定して、それがあなたの指、ラップトップ、またはその間のどこにあるかを知ることができます。
対照的に、電子スピンはバイナリ状態と呼ばれるものです:測定すると上か下しかなく、その間はありません。これは伝説的な1922年のシュテルン-ゲルラッハ実験で発見されました。だからそれで作業します。概念をはるかにシンプルにします。
下はスピン状態の単一の電子です。2つのことができます:レーザーを発射して「上」と「下」の間を駆動するか、測定して結果を読み取ります。
レーザーを保持して電子を「上」と「下」の間を連続的に駆動します。各結果の確率は、測定結果がまだランダムであるにもかかわらず、レーザーを保持した時間によって正確に設定されます。中間状態はよく知られています。あなたが測定するまで測定可能でないだけです。
重ね合わせ
重ね合わせとは、測定と測定の間に存在する可能性の混合の名前です。
測定する前、電子は「ほぼ上」、または「半分上で半分下」になることができ、それは私たちの無知とは関係ありません。スピンをまだ知らないのではありません。まだ単一のスピンがないのです。測定が1つを作り出します。
便利なイメージは回転するコインです。フリップの最中、コインは表でも裏でもありません。両方の本物の物理的な組み合わせで、あなたの手がそれを叩く瞬間がそれが一方になる瞬間です。量子重ね合わせは似ていますが、「フリップ」は何も触れていないときの電子の自然な状態です。
これが量子コンピュータに優位性を与えるものです。通常のビットは0または1を選びます。量子ビットは0と1の重ね合わせを、それぞれに特定の重みで持つことができます。多くの量子ビットを一緒に実行すれば、一度に多くの組み合わせを探索します。